Un produttore e fabbrica di tubi in silicone che da 14 anni si dedica alla produzione di prodotti in silicone personalizzati e di precisione.
Le cose più importanti da sapere sulla gomma siliconica
Introduzione: Il polimero ibrido inorganico-organico
⚙Cos'è il silicone e come viene prodotto
Le gomme più comuni sono materiali a base di carbonio ricavati da composti presenti nel petrolio greggio e nel gas naturale. La gomma siliconica ha una particolarità: è una combinazione artificiale di due diversi ambiti della chimica. Si trova all'incrocio tra la chimica inorganica del quarzo e la progettazione macromolecolare sintetica.
Il primo è un metodo di produzione diretta per la fabbricazione di elastomeri siliconici commerciali. In questo caso, la sabbia di quarzo raffinata viene utilizzata dai produttori per rimuovere l'ossigeno e ottenere silicio elementare. Successivamente, viene inviata in un reattore specializzato dove reagisce con cloruro di metile. Il processo è un reattore a letto fluidizzato Müller-Rochow catalizzato dal rame.
I polimeri di silicone sono morbidi. Si tratta di liquidi fluidi costituiti da lunghe catene lineari, formate da molecole di silicone che si ripetono. Il rinforzo di questi legami è ciò che differenzia il fluido di silicone di base dalla gomma siliconica finale. Grazie alla sua struttura, il silicone mantiene la sua forma anche se combinato con silice pirogenica. Questa caratteristica permette al materiale di resistere ad ambienti ostili senza degradarsi, come mai prima d'ora.
✦Perché dura per decenni e funziona praticamente ovunque
Molte gomme comuni rimangono morbide solo perché i produttori le arricchiscono con oli chimici aggiuntivi. La gomma siliconica è intrinsecamente durevole nel tempo e non richiede additivi ammorbidenti. A livello molecolare, gli elastomeri siliconici sono intrinsecamente flessibili e quindi non dipendono da:
✕ftalati
✕Plastificanti esteri
✕Stabilizzanti antiossidanti
Grazie alla sua elevata stabilità, la gomma siliconica offre un'utilità a 360 gradi in innumerevoli campi dell'ingegneria. La sua composizione polimerica le consente di funzionare ininterrottamente sia a temperature gelide che a temperature estremamente elevate.
Architettura molecolare e principi fondamentali della chimica
⚒La termodinamica dello scheletro e dei legami del polisilossano
Il silicone deve la sua resistenza a una struttura di base silicio-ossigeno (--Si--O--Si--). Per romperla occorrono 106 kcal/mol di energia. È più di una catena lineare (C--C), che richiede 85 kcal/mol, e di una catena carbonio-ossigeno (C--O), che ne richiede 76 kcal/mol. Questi legami sono vitali per arrestare:
⚠Scissione termica
⚠Pirolisi
⚠UV solare
⚠Danni causati dall'ozono
Gli atomi sono inoltre molto distanti tra loro: distanza interatomica di 1,64 Å contro 1,54 Å nel legame C-C, con angoli di 134°–142° invece dei 110° stretti del carbonio legato tetraedricamente. La rotazione richiede 0 kJ/mol, quindi le catene assumono una conformazione elicoidale. In questa, i gruppi metilici esterni (--CH3) schermano la spina polare e mantengono basse le forze intermolecolari.
✎Classificazione dei polimeri e funzionalità dei gruppi laterali organici
Le norme ASTM D1418 contrassegnano gli elastomeri con la lettera "Q" per indicare la loro struttura reticolare in silicio a quattro vie, tecnicamente chiamata scheletro quaternario. Le lettere iniziali indicano i gruppi di carbonio ad essi legati:
●MQ: Utilizza due unità metiliche per l'isolamento dielettrico e la stabilità termica.
●VMQ/MVQ: Contiene dallo 0,1 allo 0,5% molare di gruppi vinilici (–CH=CH2) come siti reattivi per una reticolazione più rapida con perossido o per la polimerizzazione al platino.
●PVMQ/PMQ. Impedisce la formazione di cristalli tramite anelli fenilici voluminosi (–C6H5), riducendo il punto di fragilità a freddo a -100 °C o -110 °C per applicazioni criogeniche aerospaziali e artiche.
●FVMQ: Offre resistenza ai detergenti oleosi, agli idrocarburi alifatici/aromatici e ai carburanti, pur mantenendo la flessibilità alle basse temperature.
Dinamica meccanica e prestazioni ambientali
❄Estremi termici e meccanica della transizione vetrosa (Tg).
Il metilsilicone standard ha una temperatura di transizione vetrosa compresa tra -120 e -123 °C a causa del minimo ingombro sterico. Le gomme idrocarburiche, d'altra parte, si crepano a temperature comprese tra -20 e -40 °C, mentre il silicone rimane flessibile ed elastico a temperature criogeniche.
Il VMQ standard è in grado di operare in un intervallo di temperatura compreso tra -50 °C e +200 °C (in modo continuo a +220 °C). Le miscele termostabilizzate possono resistere a picchi di temperatura fino a +300 °C senza subire decomposizione molecolare. Le miscele speciali vetrificano in forma ceramica in presenza di fiamma, lasciando uno strato di cenere di SiO2 sui cavi di sicurezza. Tuttavia, il suo coefficiente di dilatazione termica lineare è compreso tra 2 e 4 × 10⁻⁴ K⁻¹, circa 100 volte superiore a quello dell'acciaio per utensili (1,5 × 10⁻⁶ K⁻¹), e per questo motivo richiede una precisa progettazione del ritiro dello stampo.
⏱Compressione, recupero elastico e tenuta dinamica
Qual è il grado di recupero di una guarnizione in silicone dopo essere stata compressa? Test di laboratorio come ISO 815-1 e ASTM D395 Metodo B possono rilevare un appiattimento persistente comprimendo un campione del 25% per 22 ore a 175 °C e quindi esaminando l'ammaccatura creata. A differenza delle gomme, che si afflosciano, le miscele di silicone di alta qualità, che presentano un appiattimento del 5-25%, continuano a esercitare una pressione per mantenere una tenuta ermetica.
Per componenti statici come flange, guarnizioni frontali, O-ring e sportelli di forni, il silicone rappresenta la soluzione migliore, in quanto non adatto all'utilizzo con alberi in rotazione dinamica. In presenza di aria aggressiva, offre prestazioni superiori rispetto alle gomme insature, non screpolandosi dopo 96 ore di esposizione all'ozono a una concentrazione di 200 pphm, a una temperatura di 40 °C e con una deformazione dell'80%. I siliconi vulcanizzati al platino resistono a oltre 100 lavaggi a vapore a 134 °C, mantenendo rigidità e durezza senza ammorbidirsi a causa della degradazione dovuta all'acqua.
◆Propagazione della lacerazione, spettro di durezza e spallazione peristaltica
La gomma di polidimetilsilossano da sola è debole come stucco. Per renderla più resistente, i produttori la mescolano con polveri di silice pirogenica/fumata con un'enorme superficie specifica misurata con gas, superiore a 100 m²/g. Ciò si traduce in una resistenza alla trazione della gomma da 5 a 11 N/mm² e un allungamento dal 100 all'1100%. Offre inoltre una gamma di durezza Shore A che va dai gel da 3 Shore A alle guarnizioni rigide da 90 Shore A, secondo le norme ISO 48-4.
Ma i valori di resistenza allo strappo dipendono interamente da come viene tagliata la striscia di prova. Una striscia ASTM D 624 Die B a forma di mezzaluna presenta valori compresi tra 5 e 55 N/mm. Un taglio angolato ISO 34-1 Metodo Bb presenta valori inferiori fino al 30%. Una striscia ISO 34-1 Metodo A divisa presenta valori inferiori fino al 50%.
Le pompe peristaltiche mediche utilizzano la compressione e l'occlusione ciclica mediante rulli rotanti.tubi medicali in TPENecessita di un rimbalzo rapido del 30-70%. Ciò garantisce che il lume interno si riapra immediatamente. In caso contrario, lo sfregamento costante dei rulli può causare il distacco di minuscoli frammenti di gomma dalla parete interna, che finiscono nel fluido.
▦Tabella 1: Chimica di reticolazione e polimerizzazione: addizione catalizzata da platino vs. vulcanizzazione radicalica con perossido
| Parametro | Polimerizzazione per aggiunta di platino (idrosililazione) | Polimerizzazione radicalica al perossido |
|---|---|---|
| Meccanismo di reazione | Il reticolante silossanico Si–H si addiziona ai legami vinilici C=C del polimero tramite un catalizzatore di Pt | La decomposizione termica dei perossidi organici genera radicali liberi che sottraggono H o attaccano i vinili |
| Sottoprodotti della reazione | Nessun sottoprodotto formato (reazione di addizione pulita) | Acidi di decomposizione organica, frammenti volatili (acido benzoico, alcoli fenilici) |
| Temperatura di polimerizzazione | Da 120 °C a 200 °C (cinetica rapida, temperatura regolabile) | Da 150 °C a 200 °C (richiede il superamento dell'emivita del perossido) |
| Sensibilità dell'ossigeno atmosferico | Non risente dell'aria ambiente; polimerizza formando una superficie completamente asciutta e non appiccicosa. | Inibito dall'ossigeno atmosferico; le superfici esposte all'aria rimangono appiccicose anche in assenza di pressione/gas inerte |
| Rischio di avvelenamento del catalizzatore | Elevata sensibilità agli agenti tossici del catalizzatore (ammine, zolfo, composti organostannici, fosforo, gomma organica) | Estremamente resistente ai contaminanti ambientali e ai riempitivi di alta qualità. |
| Requisiti di post-polimerizzazione | Opzionale per le parti industriali; obbligatorio per il contatto con dispositivi medici/alimentari per rimuovere i ciclosilossani volatili | È obbligatorio eliminare gli odori di decomposizione del perossido volatile e la fioritura superficiale |
| Adeguatezza normativa | Scelta standard per applicazioni conformi a USP Classe VI, ISO 10993, FDA, BfR XV e EP 3.1.9. | Comunemente utilizzato nei profili industriali generali, nei tubi flessibili per autoveicoli e nelle guarnizioni commerciali standard. |
Cinetica di vulcanizzazione e ingegneria di processo
⚡Idrosililazione del platino vs. reticolazione con radicali perossidici
Il processo di conversione del silicone grezzo in gomma elastica prevede due metodi di vulcanizzazione principali, indipendentemente dalla forma del materiale, che può essere in blocchi solidi o in forma liquida pompabile. Nel caso della vulcanizzazione con perossido, i composti chimici si decompongono tra i 150 °C e i 200 °C producendo radicali leganti. Tuttavia, l'ossigeno presente nell'ambiente interrompe questa reazione, pertanto le superfici esposte rimangono appiccicose a meno che il materiale non venga cotto sotto pressione, a vapore o in camere a gas inerte.
L'idrosililazione, una tecnica a base di platino, aggira questo problema utilizzando un catalizzatore a base di metalli preziosi per guidare il legame dei gruppi idruro di silicio ai gruppi vinilici in un intervallo di temperatura compreso tra 120 e 200 °C. Poiché non produce rifiuti chimici, i componenti mantengono la loro trasparenza, il gusto e l'odore originali. L'unico vero problema è la facilità con cui la contaminazione del catalizzatore, anche da minime quantità di ammine, zolfo o persino residui di vecchia gomma provenienti da vecchie attrezzature di produzione, può compromettere il processo.
♨Dinamica della finitura secondaria e della degassificazione post-polimerizzazione
La forma dei pezzi stampati viene mantenuta dopo la sformatura, ma è comunque necessaria una post-polimerizzazione secondaria. I pezzi possono essere cotti a 200 °C in un forno a convezione forzata per almeno quattro ore per fissare la resistenza meccanica ed eliminare eventuali sostanze volatili intrappolate.
Il calore in presenza di perossidi impedisce la migrazione dei gruppi acidi e la formazione di una polvere bianca superficiale. Nei dispositivi medici polimerizzati al platino, questo trattamento rimuove le molecole ad anello volatili come i silossani D4, D5 e D6. Infine, quest'ultimo trattamento termico ottimizza la densità di reticolazione e riduce la deformazione permanente al suo valore operativo minimo.
▦Tabella 2: Matrice delle prestazioni dei materiali: gomma siliconica (VMQ/PVMQ) rispetto ad elastomeri industriali alternativi
| Attributo di prestazione | Gomma siliconica (VMQ / PVMQ) | Gomma nitrilica (NBR) | Gomma EPDM | Fluoroelastomero (FKM / Viton®) | Elastomero termoplastico (TPE/TPU) |
|---|---|---|---|---|---|
| Intervallo di temperatura di funzionamento | Da -50 °C a +220 °C (PVMQ: fino a -110 °C) | da -30 °C a +100 °C | da -45 °C a +130 °C | da -20 °C a +200 °C | da -40 °C a +85 °C |
| Set di compressione ad alta temperatura (175 °C) | Eccellente (dal 5% al 25%) | Guasti (degradazione termica) | Scarso / Degradato (>70%) | Buono (dal 15% al 30%) | Fusione/Flusso completamente falliti |
| Biocompatibilità ed estraibili | Massima purezza (senza plastificanti; classe VI della Farmacopea degli Stati Uniti) | Scarsa qualità (contiene plastificanti, zolfo, zinco) | Moderato (Contiene oli di lavorazione) | Da moderato ad alto (solo per i livelli di specializzazione) | Buono (dipendente dal grado; basso contenuto di sostanze estraibili) |
| Resistenza agli oli e ai combustibili non polari | Scarso (Grave rigonfiamento degli idrocarburi) | Eccellente | Scarso (rigonfiamento dovuto agli idrocarburi) | Eccezionale | Da buono a eccellente |
| Resistenza alla trazione e allo strappo | Moderato (5–11 MPa; 15–50 N/mm) | Elevato (10–25 MPa) | Da moderata ad alta (10–20 MPa) | Elevato (10–20 MPa) | Molto elevato (20–40 MPa) |
| Resistenza ai raggi UV, all'ozono e agli agenti atmosferici. | Praticamente impermeabile (struttura portante in silossano) | Scarso (richiede antiozonizzatori) | Eccezionale | Eccezionale | Da moderato a buono |
Conformità normativa e applicazioni industriali
✚Biocompatibilità di grado medicale ed estrusione multilume
Le apparecchiature mediche devono essere sottoposte a test approfonditi per poter essere utilizzate in sicurezza a contatto con i pazienti. I materiali vengono selezionati in base a rigorose specifiche mediche. I siliconi in questione sono certificati secondo gli standard USP Classe VI e ISO 10993, il che significa che sono atossici, non pirogeni ed emocompatibili. Poiché i siliconi vulcanizzati al platino sono idrofobici per natura, non si verificano sanguinamenti o reazioni immunitarie indesiderate.
Dal punto di vista della produzione, l'estrusione di precisione consente la realizzazione di tubi multilume complessi che includono canali per l'erogazione del fluido di riempimento, per il gonfiaggio del palloncino e per il filo guida, il tutto in un unico profilo. I produttori co-estrusionano anche barre di solfato di bario o bismuto per garantire una chiara visibilità ai raggi X. Inoltre, questi articoli possono resistere alle procedure di sterilizzazione ospedaliera convenzionali (autoclavaggio a vapore, ossido di etilene, radiazioni gamma) senza subire crepe.
✦Igiene a contatto con gli alimenti, sostanze rilasciabili e trasporto di fluidi
La gomma siliconica è la soluzione ideale per l'impiego nella lavorazione di alimenti e bevande, in quanto coniuga rigorosi requisiti di sicurezza con un'eccellente durata. Soddisfa i principali standard internazionali, tra cui FDA 21 CFR 177.2600, la normativa tedesca BfR XV, NSF-51 e i requisiti sanitari 3A.
Caratteristiche prestazionali
✓Il materiale è completamente privo di qualsiasi impatto sensoriale e non altererà in alcun modo il gusto, l'odore o il colore di prodotti lattiero-caseari e bevande delicati.
✓Le linee sono state testate per resistere a rigorosi cicli di pulizia alcalina CIP (Clean-in-Place) e di sterilizzazione a vapore SIP (Steam-in-Place) a 134 °C.
✓Presenta un'ampia stabilità termica e funziona in modo affidabile da -50 °C nei congelatori fino a +200 °C nei forni commerciali, mantenendo la sua flessibilità anche senza l'utilizzo di plastificanti.
✓Per quanto riguarda la compatibilità chimica, è adatto all'uso con acqua, alcoli e acidi deboli, ma in caso di contatto prolungato con acidi inorganici concentrati o grassi non polari è necessario effettuare una prova.
Conclusioni e approvvigionamento strategico degli elastomeri
★Perché il silicone è il numero 1 e perché la produzione di precisione è fondamentale.
La gomma siliconica è un materiale ibrido, ed è proprio questa caratteristica ad attrarre gli ingegneri, che la utilizzano in applicazioni critiche. Il silicone trova impiego in applicazioni mediche e alimentari di fondamentale importanza. Viene utilizzato anche in ambito industriale principalmente per la sua struttura a base minerale, l'ampio intervallo di temperatura di utilizzo (da -50 °C a +220 °C), la sicurezza per il corpo umano e la resistenza alla deformazione permanente, caratteristiche che lo rendono un materiale indispensabile.
Anche con il materiale migliore, i risultati dipendono dalla comprensione del processo produttivo. Il materiale deve essere sottoposto a diverse lavorazioni per trasformarsi da semplice gomma in componenti affidabili con tolleranze estremamente ristrette. È necessario un dimensionamento preciso dello stampo per compensare il ritiro da raffreddamento e rispettare le condizioni di camera bianca per una lavorazione di precisione. Seguendo correttamente questi passaggi si ottengono componenti ad alte prestazioni che durano più a lungo rispetto alle alternative medie.
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FAQ
QIn che cosa si differenzia la gomma siliconica dalle normali gomme in fibra di carbonio?
La gomma siliconica possiede una struttura a base di silicio e ossigeno anziché una catena di carbonio. Non necessita di ammorbidenti chimici, ftalati o plastificanti esteri per mantenere la sua durata nel tempo. Ha una struttura molecolare intrinsecamente flessibile.
QIn che modo la polimerizzazione con perossido differisce dalla polimerizzazione con aggiunta di platino?
L'idrosililazione è un processo di polimerizzazione che prevede l'aggiunta di platino. È ideale per applicazioni mediche in quanto pulito, rapido, insensibile all'ossigeno e non produce sottoprodotti. L'unico modo in cui i radicali liberi vengono introdotti durante la polimerizzazione con perossido è tramite decomposizione termica.
QPerché la gomma siliconica è così popolare nel settore alimentare e farmaceutico?
La gomma siliconica soddisfa rigorosi standard normativi, come quelli stabiliti da USP Classe VI, ISO 10993, FDA e BfR XV. Alimenti e fluidi medicinali non subiscono alterazioni di sapore, colore o odore, poiché è atossica, emocompatibile, resistente al calore fino a 200 °C e totalmente inalterabile a livello sensoriale.